ISM Band Haberleşme Uygulamaları İçin Origami Anten Tasarımı

Son yıllarda, ebatları büyük antenlerin maliyetleri düşürmek adına minyatürleştirilmesi giderek artan bir ihtiyaç haline gelmiştir.Özellikle ticari ve askeri uygulamalar için küçük boyutlu, hafif ve geniş bantlı anten tasarımları önem kazanmıştır. Bu sebeple yenidenyapılandırılabilen antenler son yıllarda haberleşme alanındaki ihtiyaçlardan dolayı popüler hale gelmektedir. Yeniden yapılandırılabilenantenler çok fonksiyonlu ve çok bantlı çalışmalar gibi benzersiz avantajlara sahip olmasının yanı sıra, tasarımların minyatürleştirilmesisayesinde ilgi çekmektedir. Boyut indirgeme amaçlı yeniden yapılandırılabilen anten tasarımında kullanılan tekniklerden biri de Origamikatlama sanatıdır. Origami iki boyutlu ortamı katlama vasıtasıyla istenen belirli özelliklerde belirli bir biçime getirilmesi olaraktanımlanabilir. Origami antenler hacim veya alandan tasarruf sağlamaları yönünden oldukça kullanışlıdır. Bununla birlikte Origamişekillerinin, hâli hazırda kullanılan antenlerin yerlerine geçerek klasik anten sistemlerinde köklü yenilikler getirebileceğidüşünülmektedir. Bu çalışma kapsamında küçük boyutlu, taşınabilir, katlanabilir, düşük maliyetli ve ayarlanabilir yapılı anten tasarımproblemini aşmak için değişebilen katlamalı/Origami mikrodalga antenler incelenmiştir. Bu çalışma kapsamında ISM bant haberleşmesistemleri için loop ve helis anten modelleri incelenmiştir. Tasarımlarda CST Microwave Studio programı kullanılarak anten yapılarınaait bant genişliği, yansıma $S_{11}$, kazanç ve ışıma örüntüsüne ek, antenin katlama-açılma durumuna göre tasarımlara ait performansdeğişimleri incelenmiştir. Bu çalışma kapsamında 2.4 GHz frekans bandı uygulamaları için katlanabilir, yüksek kazançlı origami antenmodelleri (Yagi-loop ve Helis) tasarımı yapılmıştır. Yapılan simülasyonlar sonucunda antenlerin geri-dönüş kaybı S11 -10dB altında eldeedilmiştir. Anten boyutları katlanmaları ile %75-%80 oranında küçülebilmektedir. Yapılan simülasyonlar sonucunda origami antenyapısı sayesinde ağırlık, taşınabilirlik, istifleme, maliyet, yüksek performans, huzme yönlendiriciliği açısından önemli derecede katkısağlayabileceği görülmüştür. Önerilen anten yapısının belirtilen özeliklerinden dolayı birçok askeri ve ticari uygulamada avantajsağlayacağı düşünülmektedir.

Design of Origami Antenna for ISM Band Applications

In recent years, the miniaturization of large sized antennas had become a necessity for low cost designs. Reconfigurable antenna had become popular recently due to their ability of being multifunctional, multi band alongside of ability of miniaturization in designs. One of the techniques of miniaturization for reconfigurable antenna is Origami folding. Origami antenna designs are efficient designs in means of reduced volume and size. Thus, it is possible to make great innovations in the currently used classical antenna designs with the usage of Origami designs. Herein, in order to achieve the challenging problem of, low size, mobile, foldable, low cost and reconfigurable antenna design Origami microwave antennas had been studied. İn this work, origami Loop and Helix antenna models for ISM band applications are investigated. The performance measures of Band-width, Return loss $S_{11}$, Gain and radiation pattern of designs had been analysed using CST Microwave Studio. The performance measures of designs had been compared for the case of open and folded versions of antennas. Herein, design of high performance origami antennas (Yagi loop and helix) has been studied for applications at 2.4 GHz frequency band. The return loss characteristic of the simulated models has achieved a S11 level of less than -10 dB. With the folding ability of the antennas it is possible to reduce the total size of the antennas up to 75-80%. From the simulated results it can be concluded that with the usage of origami it is possible to achieve designs with reduced weight, higher mobility, low cost, high performance and designs with reconfigurable pattern ability. Thus, it can be concluded that the proposed antennas can be taken as advantages design for many military or civil communication applications.

___

  • Demaine, E.D., O’Rourke J. (2007). Geometric Folding Algorithms: Linkages, Origami, Polyhedra. Cambridge University Press: New York
  • Gerard J. H., Ying L., Jan G., Gianluca L., Michael D. D. (2014). Self-Folding Origami Microstrip Antennas. IEEE Trans. Antennas & Propagation, 62(10), 5416-5419. doi:10.1109/TAP.2014.2346188
  • Kimionis J., Georgiadis A., Isakov M., Qi H. J., Tentzeris, M. M. (2015). 3D/inkjet-printed origami antennas for multi-direction RF harvesting. 2015 IEEE MTT-S International Microwave Symposium, Phoenix, AZ, 1-4. doi: 10.1109/MWSYM.2015.7166878
  • Felton S., Tolley M., Demaine E., Rus D., Wood R. (2014). A method for building self-folding machines. Science, 345(6197), 644-646. doi: 10.1126/science.1252610
  • Yao S., Liu X., Georgakopoulos S. V., Tentzeris M. M. (2014). A novel reconfigurable origami spring antenna. 2014 IEEE Antennas and Propagation Society International Symposium (APSURSI). Memphis, TN, 374-375. doi: 10.1109/APS.2014.6904519
  • Yao S., Liu X., Georgakopoulos S. V. (2015). A mode reconfigurable Nojima origami antenna. 2015 IEEE International Symposium on Antennas and Propagation & USNC/URSI National Radio Science Meeting. Vancouver, BC, 2237-2238. doi: 10.1109/APS.2015.7305507
  • Liu X., Yao S., Georgakopoulos S. V. (2015). Reconfigurable origami equiangular conical spiral antenna. 2015 IEEE International Symposium on Antennas and Propagation & USNC/URSI National Radio Science Meeting, Vancouver, BC, 2263-2264. doi: 10.1109/APS.2015.7305520
  • Liu X., Yao S., Georgakopoulos S. V. (2015). Frequency reconfigurable origami quadrifilar helical antenna with reconfigurable reflector 2015 IEEE International Symposium on Antennas and Propagation & USNC/URSI National Radio Science Meeting, Vancouver, BC, 2217-2218. doi: 10.1109/APS.2015.7305497
  • Liu X., Georgakopoulos S.V., Tentzeris M. (2015). A novel mode and frequency reconfigurable origami quadrifilar helical antenna. 2015 IEEE 16th Annual Wireless and Microwave Technology Conference (WAMICON), Cocoa Beach, FL, 1-3. doi: 10.1109/WAMICON.2015.7120416